DZ014多點溫度控制系統(tǒng),DZ014,多點,溫度,控制系統(tǒng) 第六屆“創(chuàng)新杯”大學生科技學術(shù)競賽作品 序號———————— 多點溫度控制系統(tǒng) 作品類別: 發(fā)明制作類 作品編號： 目 錄 摘要 …………………………………………………………… 3 一、 方案設(shè)計與論證…………………………………………… 3 1、 測量部分…………………………………………………3 2、 主控制部分………………………………………………4 3、 總結(jié)………………………………………………………4 二、 各電路的設(shè)計……………………………………………… 5 1、 鍵盤電路…………………………………………………5 2、 加熱器控制電路…………………………………………8 3、 溫度測試電路……………………………………………8 4、 七段數(shù)碼管顯示電路……………………………………9 5、 口通訊電路………………………………………………10 三、程序設(shè)計………………………………………………………11 概 述……………………………………………………………11 1、 程序結(jié)構(gòu)分析……………………………………………11 第 2 頁 共 16 頁 2、 主程序……………………………………………………12 四、測試方法和測試結(jié)果…………………………………………12 1、 測試環(huán)境………………………………………………12 2、 測試方法………………………………………………12 3、 測試結(jié)果………………………………………………13 4、 測試結(jié)果分析…………………………………………13 五、總結(jié)……………………………………………………………13 七、應用舉例………………………………………………………14 【參考文獻】………………………………………………………15 附：使用說明………………………………………………………15 外觀圖片………………………………………………………16 多點溫度控制系統(tǒng) 摘要 本文介紹了以AT89S51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、PC機與單片機串口通訊電路和一些接口電路 。單片機通過對信號進行相應處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設(shè)計部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與PC機串口通訊程序。 關(guān)鍵字：單片機 DS18B20溫度芯片 溫度控制 串口通訊 一、 方案設(shè)計與論證 1、 測量部分 方案一： 采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。而且使用熱敏電阻，需要用到十分復雜的算法，一定程度上增加了軟件實現(xiàn)的難度。 方案二： 采用溫度芯片DS18B20測量溫度。該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在0—100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。本制作的最大特點之一就是直接采用溫度芯片對溫度進行測量，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。 采用溫度芯片DS18B20測量溫度，體現(xiàn)了作品芯片化這個趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一溫度芯片，也是順應這一趨勢。 2、 主控制部分 方案一： 此方案采用AT89C51八位單片機實現(xiàn)。單片機軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。但是，AT89C51單片機需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件的合成在線調(diào)試，較為繁瑣，很不簡便。而且AT89C51的地位已經(jīng)漸漸 的被AT89S51所取代。逐漸成為歷史。事實也證明了AT89S51在工業(yè)控制上有著廣泛的應用。 方案二： 此方案采用AT89S51八位單片機實現(xiàn)。它除了89C51所具有的優(yōu)點外，還具有可在線編程，可在線仿真的功能，這讓調(diào)試變得方便。當與凌陽十六位單片機相比時，AT89S51八位單片機的價格便宜，再編程方便。而且AT89S51在工業(yè)控制中有廣泛的應用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。這對于在網(wǎng)上查找相關(guān)資料和在圖書館查找相關(guān)資料時非常方便的。 總結(jié)：綜上所述實際采用電路方案如下圖： PC機 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片 片 鍵盤電路 AT89S51 8BIT CPU 數(shù)據(jù)顯示 DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸 加熱器1 繼電器1 N 加熱器2 繼電器2 工作流程說明 開始，先接通電源，然后將開關(guān)打到開的位置，七段數(shù)碼管顯示器就自動顯示出當前溫度，并且顯示出設(shè)置溫度的缺省值00。此時繼電器不工作。 按下F1按鍵，溫度控制系統(tǒng)進入溫度控制點1的設(shè)制。 按下F2按鍵，溫度控制系統(tǒng)則相應進入溫度控制點2的設(shè)置。 這個時候，顯示設(shè)置溫度的數(shù)碼管閃爍。 此時可以通過鍵盤輸入預設(shè)置的溫度。當按下“確定”按鍵的時候，單片機就會根據(jù)所寫入的程序，對系統(tǒng)進行控制。 當設(shè)置的溫度高于當前的溫度時，單片機通過繼電器控制加熱電路連通。溫度慢慢升高。 當設(shè)置的溫度低于當前的溫度時，單片機通過繼電器控制加熱電路斷開。溫度慢慢下降。 就這樣通過溫度芯片的反饋信息，實現(xiàn)水的溫度保持在設(shè)置溫度上，從而達到自動控制溫度的功能。 二、 各電路的設(shè)計 1、 鍵盤電路： 單片機應用系統(tǒng)中的鍵輸入 單片機應用系統(tǒng)中除了復位按鍵有專門的復位電路,以及專一的復位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。鍵盤有編碼和非編碼兩種。非編碼鍵盤硬件電路極為簡單故本系統(tǒng)采用。 （1） 鍵輸入接口與軟件解決的任務 A. 鍵開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入 為了去抖動我們采用軟件方法，它是在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個10ms的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。 B. 對按鍵進行編碼給定鍵值或給出鍵號 對于按鍵無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成為與累加器中數(shù)值相對應的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的散轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。 為使編碼間隔小，散轉(zhuǎn)入口地址安排方便，常采用依次序排列的鍵號。 C. 選擇鍵盤監(jiān)測方法 對是否有鍵按下的信息輸入方式有中斷方式與查詢方式兩種。 （2） 行列式鍵盤 本系統(tǒng)用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行列式結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。在按鍵數(shù)較多時，可節(jié)省I/O口線。 本系統(tǒng)鍵盤采用的工作方式為編程掃描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應鍵輸入要求。編程掃描工作方式只有在CPU空閑時才調(diào)用鍵盤掃描子程序。鍵盤采用的掃描法掃描方式，掃描法是在判定有鍵按下后逐行（或列）置低電平，同時讀入行（或列）狀態(tài)，如果行（或列）狀態(tài)出現(xiàn)非全1狀態(tài)，這時0狀態(tài)的行、列交點的鍵就是所按下的鍵 。 在其他的作品中，要改變設(shè)置溫度時，每按一次按鍵，相應位上的數(shù)字自加一。當要輸入的數(shù)字比較大的時候，需要按很多次，使用起來比較麻煩。然而，鍵盤就很好地解決了這個問題。當要修改設(shè)置溫度時，只需要按兩次按鍵，再加上“確定”按鍵即可。所以本電路采用了使用方便的鍵盤控制電路。鍵盤的按鍵分布如下圖所示： P2.4 F1 F2 P2.0 7 8 9 P2.1 4 5 6 P2.2 1 2 3 P2.3 清除 0 確定 P2.5 P2.6 P2.7 鍵盤設(shè)定如下： 鍵盤共有14個按鍵，用于方便設(shè)定溫度。 9 0 — ，數(shù)字按鍵，輸入數(shù)字1----9； 確認 ， , 設(shè)置的確認，修改設(shè)置溫度時進行確認； 清除 , 設(shè)置的清除，修改設(shè)置溫度時進行刪除； F1 , 顯示及設(shè)置轉(zhuǎn)換到溫度點1，按此按鍵后，顯示預設(shè)置溫度的數(shù)碼管 閃爍； F2 ，顯示及設(shè)置轉(zhuǎn)換到溫度點2，按此按鍵后，顯示預設(shè)置溫度的數(shù)碼管 閃爍； 采用14按鍵的鍵盤代替其他作品的自加1按鍵和自減1按鍵，雖然增加了按鍵的個數(shù)，但是卻方便了輸入所需要設(shè)置的溫度，使得溫度設(shè)定操作更為簡單。這也是本作品相對于其它作品改進的一個重要方面。 3、 加熱器控制電路 單片機通過三極管控制繼電器的通斷，最后達到控制電熱器的目的。 當溫度未達到要求時，單片機發(fā)送高電平信號使三極管飽和導通，繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱。溫度慢慢升高。 當溫度上升到預定溫度時，單片機發(fā)送低電平信號三極管進入截止狀態(tài)，繼電器的彈片打到另一側(cè)，使電熱器與電源斷開，電熱器停止加熱。 繼電器電路中有一個三極管8050的保護電路，即將一個二極管反向接到三機管的兩端。連接方法如圖所示。其原理是： 當繼電器突然斷電時，繼電器產(chǎn)生很大的反向電流。二極管的作用是將反向電流分流，使流過三級管8050的電流比較小，達到保護三極管8050的作用。 CONTROL TEMPERATURE SDA - + 單片機控制信號 DS18B20 3、溫度測試電路 這里我們用到溫度芯片DS18B20。使用集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結(jié)構(gòu)。使用集成芯片，已經(jīng)慢慢的成為設(shè)計電路的一種趨勢。本系統(tǒng)使用溫度芯片也正是順應了這一趨勢。 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。 溫度芯片DS18B20轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精度高，與微處理器的接口簡單，給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。 4、七段數(shù)碼管顯示電路 本部分電路主要使用七段數(shù)碼管和移位寄存器芯片74LS164。單片機通過I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管顯示。由于單片機的時鐘頻率達到12M，移位寄存器的移位速度相當快，所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)?。從人類視覺的角度上看，就仿佛是全部數(shù)碼管同時顯示的一樣。 在本系統(tǒng)中使用移位寄存器芯片74LS164時，是用芯片的貼片封裝。貼片封裝直接焊接在數(shù)碼管電路的背面，這樣既能實現(xiàn)強大的功能又合理利用電路的空間，而且整個顯示電路小巧玲瓏，在總體安裝時方便。采用移位寄存器控制數(shù)碼管顯示出本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)，也是本系統(tǒng)的一個亮點。 5、 串口通訊電路： 51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。 我們采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示，MAX232的第10腳和單片機的11腳連接，第9腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。 串口通訊的硬件電路如上圖所示 三、 程序設(shè)計 概 述 整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、打印、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。設(shè)計者應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。 首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。 1、 程序結(jié)構(gòu)分析 主程序調(diào)用了5個子程序，分別是數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與PC機串口通訊程序。 鍵盤掃描電路及按鍵處理程序：實現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識別及進入相應的程序。 溫度信號處理程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進行處理，進行判斷和顯示。 數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。 繼電器控制程序：控制繼電器動作 串口通訊程序：實現(xiàn)PC機與單片機通訊，將溫度數(shù)據(jù)傳送給PC機 將各個功能程序以子程序的形式寫好，當寫主程序的時候，只需要調(diào)用子程序，然后在寄存器的分配上作一下調(diào)整，消除寄存器沖突和I/O沖突即可。程序應該盡可能多的使用調(diào)用指令代替跳轉(zhuǎn)指令。因為跳轉(zhuǎn)指令使得程序難以看懂個程序段之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。而調(diào)用指令則不同，調(diào)用指令使得程序結(jié)構(gòu)清晰，無論是修改還是維護都比較方便。將功能程序段寫成子程序的形式，除了方便調(diào)用之外，還有一個好處那就是以后寫程序的時候如果要用到，就可以直接調(diào)用這個單元功能模塊。 程序結(jié)構(gòu) 串口通訊程序 鍵值 處理程序 鍵盤 掃描程序 LED 顯示 數(shù)碼管顯示程序 溫度芯片 傳數(shù)據(jù)程序 與當前溫度相比較程序 繼電器控制程序 開始 系統(tǒng)初始化 溫度數(shù)據(jù)送PC機 取溫度 點F1\F2 溫度顯示 按鍵處理 是否有按鍵 yes NO 比較設(shè)置溫度與當前溫度大小 繼電器控制 第 16 頁 共 16 頁 2、主程序 程序開始的時候先設(shè)置初始化，然后就控制數(shù)碼管顯示當前溫度。接著就判斷F1、F2按鍵是否被按下。按下F1進入溫度控制點1的程序、按下F2進入溫度控制點2的程序。程序控制設(shè)置溫度的兩個數(shù)碼管閃爍的，此時鍵盤輸入有效。有按鍵按下的時候進入按鍵處理程序。按下“確定”按鍵后，程序進入判斷程序和繼電器控制程序。繼電器動作后，程序回到顯示當前程序，并開始循環(huán)。 四、測試方法和測試結(jié)果 1、測試環(huán)境 環(huán)境溫度28攝氏度 測試儀器：數(shù)字萬用表，溫度計0----100攝氏度 2、測試方法 使系統(tǒng)運行，采用溫度計同時測量水溫度變化情況，得出系統(tǒng)的溫度指標。 3、測試結(jié)果 設(shè)定溫度由40攝氏度到60攝氏度 標定溫差<=1攝氏度 調(diào)節(jié)時間 0.5s 靜態(tài)誤差<=1攝氏度 最大超調(diào)量1攝氏度 4、測試結(jié)果分析 因為芯片是塑料封裝，所以對溫度的感應靈敏度不是相當高，需要一個很短的時間才能達到穩(wěn)定。 五、總結(jié) 89S51的時鐘最高可達12M，I/O口可達32個，高的時鐘頻率和豐富的I/O，都為我們實現(xiàn)電路功能提供了非常有利的條件。同時也因為開發(fā)環(huán)境友好，易用，方便，大大加快本系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。 鍵盤的使用，使操作更為簡潔，易懂和迅速。 本制作的設(shè)計中使用了繼電器控制的只是插座電路，因此，該系統(tǒng)的可擴展性很強。隨著插入插座的電器的不同，可以實現(xiàn)許多其它功能的電路。 六、應用舉例： 1、 控制過板機的溫度 過板機的使用溫度一般是在60攝氏度----90攝氏度之間。使用該系統(tǒng)時，當過板機的溫度小于設(shè)置溫度時，系統(tǒng)自動接通電源，過板機加熱；當過板機剛剛超過設(shè)置溫度時，系統(tǒng)自動斷開電源，過板機冷卻，以此保證過板機不至于被燒壞。 2、 控制水的溫度 當需要某一溫度的水的時候，既可設(shè)置溫度，然后系統(tǒng)就自動為你效勞。不怕因為忘了時間，而把事情弄糟。 3、控制孵化室的溫度 【參考文獻】 (1)曹巧媛主編. 單片機原理及應用(第二版). 北京:電子工業(yè)出版社,2002 (2)全國大學生電子設(shè)計競賽組委會編.第五屆全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編(2001), 北京:北京理工大學出版社，2003 (3)何力民編. 單片機高級教程. 北京:北京航空大學出版社,2000 (4)金發(fā)慶等編. 傳感器技術(shù)與應用.北京機械工業(yè)出版社,2002 附：使用說明 1、 將溫度控制箱上的開關(guān)全部打到“關(guān)”的位置 2、 將溫度芯片插到溫度控制箱的指定位置 3、 用串口線將溫度控制箱與計算機相連，打開相應的應用程序 4、 將用電器的插頭插到溫度控制箱的插座 5、 接上溫度控制箱的電源、并打開開關(guān)。在溫度控制箱上的數(shù)碼管顯示出當前溫度 6、 按F1鍵，進入溫度點1的設(shè)置。通過鍵盤設(shè)置所需要的溫度，然后按“確定”鍵。系統(tǒng)會將設(shè)置值與當前值進行比較，通過溫度芯片的反饋，單片機控制加熱或冷卻水的溫度，使水的溫度穩(wěn)定在設(shè)置的溫度上。從而達到控制溫度的作用。 7、 按F2鍵則相應進入溫度點2 的設(shè)置。與F1鍵的使用方法相同。 8、 當要關(guān)閉系統(tǒng)時，先關(guān)掉開關(guān)，然后再拔掉電源。 框圖表示： 接上溫度芯片，連接好電路，接上電源 系統(tǒng)開始工作，直至工作結(jié)束 按F1或F2進行溫度點1或溫度點2的設(shè)定 確認溫度控制箱上的開關(guān)全部打到關(guān)的狀態(tài) 附：外觀圖